CN1835351A

CN1835351A - 可旋转电力电子变换器同步电机励磁装置

Info

Publication number: CN1835351A
Application number: CNA2006100386939A
Authority: CN
Inventors: 黄文新; 胡育文; 孙登亚
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2006-03-08
Filing date: 2006-03-08
Publication date: 2006-09-20

Abstract

本发明公开了一种可旋转电力电子变换器同步电机励磁装置，该装置包括旋转变压器、电力电子功率与控制电路和旋转二极管整流电路，其中，电力电子功率与控制电路和旋转变压器的初级绕组、初级磁芯连接并一同固定在同步电机的定子端盖上，旋转变压器的次级绕组、次级磁芯与旋转二极管整流电路连接，旋转二极管整流电路向同步电机的转子励磁线圈输出励磁电流，次级绕组、次级磁芯和旋转二极管整流电路一同固定在转子上；初级磁芯与次级磁芯之间有气隙间隔并相对旋转。本发明的可旋转电力电子变换器同步电机励磁装置能为同步电机提供稳定可调的直流励磁，可大大提升同步电动机调速***的竞争力。

Description

可旋转电力电子变换器同步电机励磁装置

一、技术领域

本发明涉及一种同步电机的励磁装置，尤其涉及一种利用电力电子变换器对同步电机进行励磁的装置。

二、背景技术

同步电机发电运行(即同步发电机)是绝大多数发电场合的首选，从百兆瓦的大型发电机到一百多瓦的车用整流发电机，应用相当广泛。在航空上，现代飞机电源发电机也几乎均采用同步发电机。普通同步发电机的励磁方式是：将绕组安装于旋转的转子上，在转轴上安装集电环，通过电刷引进励磁直流电，因励磁绕组中无反电势，故励磁容量小；与之相比，交流励磁的电机(如感应电机)则需要较大的励磁容量。但是电刷滑环的存在会降低电机的运行可靠性，增加维护的工作量。

为了解决上述同步电机存在的励磁回路可靠性不高的问题，多年来，人们倾注了大量的心血，寻找同步电机的无刷励磁方案。这些无刷励磁方案主要有：(1)实现了励磁无刷化的永磁电机，其转子上安装永磁材料，提供电机所需励磁磁势，实现了无刷化。但是，永磁电机具有以下缺点：①作发电运行不能实现故障时的灭磁保护；②不能通过调节励磁的方法调节输出电压，要稳压必须采取其他措施，所以不能广泛应用；③永磁电动机因其具有高效节能的特点，在电动车、节能家电等方面应用很广；在工业应用上常用作伺服驱动，在零速至基速，永磁无刷伺服电机均能很好地工作，但在基频以上弱磁升速的恒功率调速范围内，其性能还是不能令人满意，普通表贴式永磁电机由于磁路磁阻很大，减弱磁场需要定子提供较大的去磁电流，占据了绕组的有效容量；专门设计的永磁电机即使能够成功地实现较大范围的弱磁升速，但如果逆变器失控或掉电，转速过高时，永磁电机将输出高电压，有可能损坏逆变器或造成其他危害；④稀土永磁材料较昂贵，因此永磁电机的制造成本较高；(2)采用了旋转整流器的无刷同步发电机，这种发电机实际上是将一台旋转电枢式发电机作为主发电机的励磁机，励磁机的输出经三相旋转整流器为主发电机提供直流励磁，消除了电刷滑环，可靠性大大提高，但是，这种旋转整流器无刷交流发电机存在几个明显的缺点：①增加了励磁机部分，轴向空间增大，功率密度有所降低；②电压调节器的输出需经励磁机的励磁绕组、励磁机电枢绕组、旋转整流器才能对主发电机励磁绕组起作用，转变过程复杂，大大影响***的动态性能；③需调速运行的同步电动机采用这种方案不合适，因为零速、低速时励磁机没有输出或输出不足；(3)T.F.Chen在1997年提出一种无刷、无励磁机同步发电机结构(见Chan，T.F；Lie-Tong Yan著《无刷无励磁机的交流发电机的性能分析》，载于《IEEE能量转化》第12卷，No.1，1997年三月版，第32-37页)，其定子绕组采用两套并联三相绕组(由极相组拆分)，在两套中心点接入可调直流电源，在两套绕组中形成直流电流，在气隙间形成静止直流磁场；转子绕组切割此磁场形成感应电势，转子绕组线圈由二极管短接，则在转子绕组中流过单方向的直流电流，又形成旋转励磁磁场，在电枢绕组中输出三相电压，很显然由于这种电机转子励磁电流断续，因此发电机的输出波形较差，铁心利用率有所降低，并且同样不适合用于电动机调速运行；(4)Fukuo Shibata提出一种无刷、无励磁机的新颖方案(见Shibata，F.；Naoe，N著《无刷无励磁机自励同步发电机特性》，载于《1990IEEE工业应用协会年会会议论文集》，第.293-300页，卷1.1，1990年10月版)，两套三相定子绕组6个端子接变压器的ws的6个端子，中间抽头为三相绕组电压输出，绕组中同时流过励磁电流与负载电流，励磁电流、负载电流回路不同。形成的绕组的极数是2倍或1/2关系；转子线圈中同时流过直流的励磁电流和感应的交流电流，感应和励磁两个电流形成的极数是2或1/2关系，JK端和M1M2端分别流过对应不同极数的磁场电流，这种形式的无刷发电机的输出波形有改善，但是缺点是附加了变压器，体积重量增大；(5)Sakutaro Nonaka提出了一种利用电力电子及其控制技术对同步电机的进行无刷化的方案(见Nonaka，S.；Kawaguchi，T.著《一种新型的采用无刷自励型同步发电机的变速交流发电机***》，载于《1990IEEE工业应用协会年会会议论文集》，第691-696页，卷1.1，1990年10月版；Nonaka，S.；Kawaguchi，T.著《无刷自励型三相同步电机的励磁方案》，载于《IEEE工业应用杂志》第28卷，No.6，第1322-1329页，1992年版；Nonaka，S.；Kawaguchi，T.著《一种新型的采用无刷自励型同步发电机的变速交流发电***》，载于《IEEE工业应用杂志》，第28卷，No.2，三月/四月号，第490-496页，1992年版)，该方案采用了与电力电子装置很好结合的新型无刷同步发电机***，在定子的旋转磁场中叠加了用于产生励磁的磁场，该磁场由变换器根据合适的调制策略产生，这样在转子绕组中产生感应电势，由于二极管的整流作用，产生所需单向直流励磁电，但显然发电机的输出波形含有大量的谐波，不能直接利用；(6)Jun Oyama提出交流励磁的无刷同步电动机的一种转子定向控制方案(见Oyama，J.；Higuchi，T.著《矢量控制下的交流激磁无刷同步电动机的特性》，载于《IEEE电力电子专家会议第19届年会会议论文集》，卷1.1，第423-430页，1988年版)，这一方案不需励磁机，转子励磁绕组为单相短路绕组，逆变器供给定子绕组的三相交流电流在电机的气隙中形成旋转的脉振磁场。通过探测转子的位置来决定励磁电流分量和转矩分量，转矩分量形成的脉振旋转磁场位于d轴，交变励磁分量位于q轴，确保形成恒定方向的力矩，很显然，力矩是大幅脉动的，造成这种方案的应用是有局限的。

综上所述，这些无刷、无励磁机同步电机的方案有以下缺陷：(1)增加了附加绕组或附加装置，提高了电机结构的复杂性，造成电机的体积、重量上升，功率密度下降；(2)励磁电流不恒定；(3)零速低速无励磁；(4)输出电压波形偏离正弦；(5)励磁调节不方便；(6)转矩脉动；(7)效率较低。

三、发明内容

1、发明目的：本发明的目的是为同步电机的运行提供一种励磁电流稳定、体积小的电力电子变换器同步电机励磁装置。

2、技术方案：为了达到上述发明目的，本发明的可旋转电力电子变换器同步电机励磁装置包括旋转变压器、电力电子功率与控制电路和旋转二极管整流电路，其中，电力电子功率与控制电路和旋转变压器的初级绕组、初级磁芯连接，并一同固定在同步电机的定子端盖上；旋转变压器的次级绕组、次级磁芯与旋转二极管整流电路连接，旋转二极管整流电路向同步电机的转子励磁线圈输出励磁电流，次级绕组、次级磁芯和旋转二极管整流电路一同固定在转子上；初级磁芯与次级磁芯之间有气隙间隔并相对旋转。

在本技术方案中，旋转变压器可分为动、静两部分，静止的部分为初级绕组、初级磁芯，与同步电机的定子安装在一起，运动部分为次级绕组、次级磁芯，与转子安装在一起，随转子旋转；动、静两部分以气隙分隔，气隙的长度应当取机械加工所能保证的动、静两部分不相擦碰的最小值，旋转变压器的结构形式要保证动、静两部分的磁路耦合面在相对旋转时面积不变，不影响变压器的耦合磁通量，仍能保持磁场能量的传递，在相对旋转的磁芯间能够传送电磁能量，实现可旋转状态下电能传递变换。现有的隔离型DC-DC变换器的常见拓扑形式，如反激、正激、推挽、桥式等，都可以为本发明的可旋转电力电子变换器采用。无论何种拓扑，要设计为可旋转电力电子变换器，均需将旋转变压器设计成动、静两部分，***气隙，而形成可旋转变压器。在实际运用中，传递的励磁功率在数十瓦时采用反激、正激形式，励磁变换功率在数百瓦以上采用桥式变换形式。在实际的同步电机运行时，不管是电动还是发电状态下，需要根据负载大小及转速高低等运行参数进行调节，来达到高的运行性能。本发明的可旋转电力电子变换器的电路实际就是同步电机励磁调节电路，根据励磁电流控制指令(励磁电流给定值，由其他控制单元给出)调节开关变换电路占空比，改变输出励磁电流大小。

本发明中，旋转变压器可采用高频脉冲变压器，通过磁耦合，原、副边的电能进行变换传递，实现输入输出隔离；旋转变压器的初级磁芯和次级磁芯设计为环形，并围绕同步电机的转轴，通过电磁耦合传递电能。

本发明的工作原理为：输入供电的直流电，通过现有技术中可得到的电力电子功率电路与控制电路，得到占空比可变的电压脉冲，施加到旋转变压器的初级，经旋转变压器的电磁耦合，把能量从变换器的静止部分非接触的感应传递到变换器的旋转部分。经过现有技术中可得的旋转二极管整流电路，产生稳定的直流电流，给电机的励磁绕组供电。电机发电后，从交流电输出端采样，反馈到电力电子功率电路与控制电路实施控制，通过调整功率开关的占空比，达到调节电机励磁电流的目的。

3、有益效果：本发明的优点是：在零速至任何运转转速范围内都能为同步电机提供稳定可调的直流励磁，可大大提升同步电动机调速***的竞争力，特别是在功率为数千瓦以上的调速***中，相对于采用昂贵的永磁电机，采用本申请提出的新型无刷励磁方式的同步电动机将更具竞争力；采用本申请发明的新型无刷励磁方式的发电机将有效提升我国新型飞机、战车的电源的品质，对国防建设具有较大的实际意义，在民用发电、伺服驱动等方面也有很大的应用推广价值。

四、附图说明

图1是本发明的工作原理图；

图2是本发明的旋转变压器的径向气隙结构示意图；

图3是本发明的旋转变压器的轴向气隙结构示意图；

图4是旋转高频变压器在电机中的位置示意图。

五、具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明：

如图所示，可旋转电力电子变换器同步电机励磁装置包括旋转高频变压器1、电力电子功率与控制电路2和旋转二极管整流电路3，其中，电力电子功率与控制电路2和旋转变压器1的初级绕组7、初级磁芯8连接，并一同固定在同步电机的定子端盖上，旋转变压器1的次级绕组9、旋转二极管整流电路3和转子励磁绕组4构成回路，次级磁芯10和旋转二极管整流电路3固定在同步电机的转子上；旋转变压器1采用高频脉冲变压器；高频脉冲变压器的初级磁芯8和次级磁芯10设计为环形，围绕同步电机的转轴。本装置在工作时，输入供电的直流电5，通过电力电子功率电路与控制电路2，得到占空比可变的电压脉冲，施加到旋转变压器1的初级，经旋转变压器的电磁耦合，把能量从变换器的静止部分非接触的感应传递到变换器的旋转部分；经过整流电路3，产生稳定的直流电流，给电机的励磁绕组4供电；电机发电后，从交流电输出端采样，反馈到电力电子功率电路与控制电路2实施控制；通过调整功率开关的占空比，达到调节电机励磁电流的目的。

如图2所示，当旋转变压器1的气隙为径向时，其磁芯为类似于罐型的圆环形，中间安放变压器绕组，次级磁芯10固定于转轴6上，静止的初级磁芯8固定于定子端盖上，其中心孔要使转轴6自由伸出；

如图3所示，旋转变压器1的气隙为轴向时，其磁芯为两边突起的圆柱状环形结构，次级磁芯10安装于电机的转轴6上，静止的初级磁芯8安装于电机机座上。

如图4所示，旋转变压器的初级绕组7嵌于初级磁芯8中，与同步电机的定子端盖固定，次级绕组9嵌于次级磁芯10中，与旋转二极管整流电路3一同固定在转子11上，随转子11旋转；在设计装配时要保证动、静两部分不相擦碰的最小所需气隙的长度，并保证磁路耦合面在相对旋转时面积不变，不影响变压器的耦合磁通量。

Claims

1、一种可旋转电力电子变换器同步电机励磁装置，其特征在于该装置包括旋转变压器(1)、电力电子功率与控制电路(2)和旋转二极管整流电路(3)，其中，电力电子功率与控制电路(2)和旋转变压器(1)的初级绕组(7)、初级磁芯(8)连接并一同固定在同步电机的定子端盖上，旋转变压器(1)的次级绕组(9)、次级磁芯(10)与旋转二极管整流电路(3)连接，旋转二极管整流电路(3)向同步电机的转子励磁线圈(4)输出励磁电流，次级绕组(9)、次级磁芯(10)和旋转二极管整流电路(3)一同固定在转子上；初级磁芯(8)与次级磁芯(10)之间有气隙间隔并相对旋转。

2、如权利要求1所述的可旋转电力电子变换器同步电机励磁装置，其特征在于旋转变压器(1)为高频脉冲变压器。

3、如权利要求1所述的可旋转电力电子变换器同步电机励磁装置，其特征在于，旋转变压器(1)的初级磁芯(8)和次级磁芯(10)为环形，围绕同步电机的转轴。